相變換熱技術在油氣集輸加熱設備中的應用

陳昱希

摘要：傳統的管式加熱爐和水套爐，以其加熱均勻等優勢，在油氣集輸工程中得到廣泛的應用。隨著能源日趨緊張以及各油氣田能源政策的調整，傳統的管式爐和水套爐，以其水容量大、升溫慢、外型尺寸大、鋼材耗量大、成本高、耗能高等缺點，將逐漸被新一代加熱設備所取代。一方面，隨著傳熱理論與技術的不斷發展和進步，將相變換熱技術應用于加熱設備的相變加熱爐，不但有效的解決了傳統加熱爐換熱元件傳熱效率較低的問題。同時相變加熱爐在制造、運行成本和熱效率方面比傳統加熱爐有很大的優勢，近幾年在油氣田集輸工程中得到快速的發展和應用。本文分析了相變換熱技術的特點，介紹了真空相變加熱爐的工作原理和應用。

關鍵詞：油氣集輸加熱；相變換熱；真空相變加熱爐；系列產品；應用

1相變換熱的技術特點

（1）相變鍋爐在實際運行時，可以采用較低壓力的中間熱媒體，汽化潛熱比較大，可以減少換熱管的傳熱面積，由于換熱管外部為冷凝換熱，內部為被加熱介質的強迫對流換熱，所以即使采用一般的碳鋼管，傳熱系數也很大。（2）相變鍋爐在停運后再啟動時，需適當排出少量蒸汽而將漏人的空氣帶走。由于排除空氣時要帶走一定蒸汽，鍋爐水位會有少量下降，水位降至最低允許水位之前，應補充中間熱媒水，使水位升高至最高允許水位。運行實踐表明，如果中間熱媒水采用潔凈自來水，在一個采暖期內就不需要采取排污措施，因在一個采暖期內，中間熱媒水的硬度和鹽濃度增加不多，不會超過防止結水垢的允許值。（3）相變鍋爐在系統水質欠佳條件下，因與火焰、高溫煙氣接觸的受熱面不與循環介質直接接觸，所以安全可靠性得到了根本的改善。而傳統的行業用加熱爐需配備專門的水處理設施，如果水質不達標，加熱爐在運行較長時間后，傳熱元件易結水垢，導致過熱變形或氧化并造成減薄、穿孔或開裂等現象的發生，更為嚴重的是，傳熱元件結水垢后影響傳熱，浪費大量的能源。而相變加熱爐在采用潔凈自來水的情況下，能有效解決上述問題

2相變加熱爐工作原理

加熱爐采用相變換熱技術，即將加熱爐殼體內封閉空間分為氣化空間和相變空間，通過燃料的燃燒加熱殼體內水介質產生蒸汽，蒸汽上升到相變空間與低于飽和溫度的換熱管接觸，凝結放出相變熱，即氣化潛熱，將熱量通過換熱管傳遞給管內被加熱介質，蒸汽冷凝放熱后冷凝回氣化空間，如此循環往復的將熱量傳遞給換熱管內被加熱介質。相變加熱爐通常采用蒸汽橫掠水平管進行換熱。在相變換熱過程中，蒸汽的凝結通常有膜狀凝結和珠狀凝結。然而在實際工程應用中，由于珠狀凝結不能夠長久的保持，一般認為蒸汽的凝結主要是膜狀凝結。因此，相變加熱爐從設計的觀點出發，為保證凝結效果，只能以膜狀凝結的相關計算公式作為設計的主要依據。相變加熱爐主要特點是爐內熱媒溫度基本保持不變，并在相對較小的溫差下，達到較高強度的放熱和吸熱的目的，因而加熱爐外形尺寸相對縮小。運用相變換熱技術的加熱爐，由于殼體內水介質能夠往復循環使用。因此，相變加熱爐無需經常補水，也就減少了殼體內及水介質的氧含量，有效的減輕了殼體金屬的氧腐蝕，增加了設備的使用壽命。

3相變加熱爐工程應用

3.1真空相變加熱爐的工程應用

實際工程應用中，真空相變加熱爐的換熱器可根據實際情況或用戶要求選擇熱交換器形式與結構。如圖1為一體式真空相變加熱爐結構簡圖。真空相變加熱爐在運行過程中，換熱器所在的上部空間既是相變空間，也是真空室。加熱爐啟動后，燃料燃燒產生的熱量通過爐膽和煙管傳給水介質，水介質在爐內真空狀態下產生蒸汽，與在真空室內的換熱器進行相變換熱，然后凝結水回流到氣化空間，如此往復進行，完成傳熱過程。

真空相變加熱爐在運行的過程中，爐體的內部壓力一般處于-0.02MPa～0.08MPa的真空狀態下。爐內的水介質是脫氧的軟化水，無腐蝕，無水垢。另一方面，加熱爐在運行過程中，水介質始終可以循環使用，不會增加新的含氧空氣，不至于發生氧腐蝕現象，從而使加熱爐壽命長相對較長，因此安全性能相對較高，基本無安全隱患。真空相變加熱爐在設計中采用模塊化結構，設備結構緊湊，安裝簡便，設備體積小，使產品易于運輸、安裝，與相同負荷的傳統加熱爐相比較，是一種高效、節能、環保、低成本類產品，根據實際應用，一臺1000kW真空相變加熱爐一天可節省燃料油約0.64噸。

3.2分體式相變加熱爐的工程應用

由于適應大負荷和不同模塊的可更換替代性，分體式相變加熱爐得到了廣泛的應用。既可采用真空相變，也可采用帶壓相變。如圖2所示為一分體相變加熱爐。分體式相變加熱爐主要由爐體和換熱器組成。爐體結構借鑒鍋殼鍋爐的設計理念，換熱器結構可采用列管、盤管型式，還可應用標準型式換熱器。蒸汽通過專門的管路進入上部換熱器殼體，在換熱器殼體內完成相變換熱過程，然后通過冷凝管路返回下部爐體內。分體式相變加熱爐在設計時充分考慮了設備荷重和安裝現場的條件、風載和換熱器運行振動等因素。為保護下部爐體不承受外加載荷，以免造成爐體受損，采用了無受力分體結構方案。即爐體與換熱器之間只進行汽水介質的能量傳輸，換熱器的重量則通過鋼結構傳遞給基礎，而爐體完全不受外部載荷，爐體與換熱器采用金屬波紋管法蘭軟連接。爐體和換熱器可以根據使用情況分別進行更換，有效地提高了設備整體的使用壽命，降低了投資和運行成本。

4結語

采用相變換熱技術，加熱爐在金屬耗量和熱效率方面有了很大的改進，可以很好地取代傳統加熱爐進行油田地面集輸系統油氣水及其混合物的加熱，適合油田油氣集輸的生產和經營管理要求與發展趨勢。真空相變加熱爐，屬于常壓類容器，簡化了報批、年審等手續，操作無需持證。同時真空加熱爐以其高效、節能、經濟，具有體積小、升溫快，熱效率高、安全可靠、管理方便的優勢，目前已經在各大油田得到了廣泛的應用。

參考文獻：

[1]GB/T21435-2008，相變加熱爐[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]真空加熱爐技術現狀簡述[J].陳佳琪，李琪，冷德成.化工裝備技術.2017（02）endprint